專利名稱：一種高壓直流交聯(lián)聚乙烯電纜預(yù)制型接頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電力系統(tǒng)高壓直流輸電領(lǐng)域的配合高壓直流交聯(lián)聚乙烯電纜使用的接頭，具體涉及一種高壓直流交聯(lián)聚乙烯電纜預(yù)制型接頭。
背景技術(shù)：
目前，自從1卯4年世界上第1條連接哥特蘭島與瑞典大陸之間的高壓直流輸電聯(lián)絡(luò)線投入商業(yè)運(yùn)行以來，高壓直流輸電技術(shù)已經(jīng)得到了極大的發(fā)展。但是傳統(tǒng)的高壓直流輸電技術(shù)還存在很多缺點(diǎn)換流站的投資大，移相換流器接線復(fù)雜，體積龐大，易發(fā)生換相失敗，換流電壓諧波含量高等。針對傳統(tǒng)高壓直流輸電技術(shù)的不足，ABB公司研發(fā)了柔性高壓直流輸電系統(tǒng)。柔性高壓直流輸電技術(shù)是基于電壓源換流器(VSC)和絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)的一種適用于小容量輸電的新型高壓直流輸電技術(shù)。自1997年3月，世界上第1條柔性高壓直流輸電測試系統(tǒng)——Hellsjon-Grangesberg工程成功運(yùn)行以來，柔性高壓直流輸電技術(shù)引起了各國的廣泛關(guān)注。相繼在澳大利亞，丹麥，美國等國建成了柔性高壓直流輸電工程，這極大地促進(jìn)了柔性高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展。柔性高壓直流輸電技術(shù)的輸電線路采用的是以聚合物為絕緣的塑料電纜。交聯(lián)聚乙烯(XLPE)以其優(yōu)越的性能以及在高壓交流電纜上的成功運(yùn)用而成為直流塑料電纜絕緣材料的首選。然而，當(dāng)交聯(lián)聚乙烯絕緣材料應(yīng)用在直流高壓下時，會由于材料缺陷，離子離解，電荷注入等原因而在絕緣層內(nèi)部積聚大量的空間電荷，此空間電荷的存在可能會極大地畸變絕緣層中局部電場，進(jìn)而導(dǎo)致絕緣的損壞，最終導(dǎo)致電纜系統(tǒng)運(yùn)行失敗。各國學(xué)者為研究聚合物中空間電荷的測量，形成機(jī)理和抑制措施做了大量的工作，獲得了很多有價值的交聯(lián)聚乙烯材料配方。電纜附件是連接電纜與電纜或電纜與其他電力設(shè)備不可或缺的元件。與電纜本體不同的是，電纜附件(包括電纜接頭和終端)中存在雙層絕緣介質(zhì)，而這個交界面的存在更容易積聚空間電荷。雙層介質(zhì)交界面上的空間電荷量主要由各層絕緣材料的介電常數(shù)比值與電導(dǎo)率比值間的差值決定，差值越大，則積聚的空間電荷就大，反之，兩者比較接近時，積聚的空間電荷就小甚至消除。在不同溫度不同電場強(qiáng)度下，材料的介電常數(shù)變化非常小，也就是說兩種材料的介電常數(shù)比值是基本固定的，但是材料的電導(dǎo)率卻隨著溫度和電場強(qiáng)度的變化而顯著變化，有時達(dá)幾個數(shù)量級的變化。ABB公司的電纜接頭是在交聯(lián)聚乙烯與三元乙丙橡膠間加入一層具有非線性特性的應(yīng)力控制層。此控制層保證在不同溫度下兩個界面上的介電常數(shù)比值與電導(dǎo)率比值一致，從而減小界面的空間電荷。然而，研發(fā)這樣的非線性應(yīng)力控制層的難度非常大，而且也使直流塑料電纜接頭的結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種高壓直流交聯(lián)聚乙烯電纜預(yù)制型接頭，結(jié)構(gòu)簡單，體積小，耗材少，與電纜交界面上積累的空間電荷少。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種高壓直流交聯(lián)聚乙烯電纜預(yù)制型接頭，該接頭套設(shè)在直流電纜外，其特征是，該接頭包含套設(shè)在直流電纜外的高壓屏蔽層，套設(shè)在該高壓屏蔽層外的增強(qiáng)絕緣，以及套設(shè)在該增強(qiáng)絕緣外的外半導(dǎo)電屏蔽層； 上述的增強(qiáng)絕緣的軸向方向的兩端都設(shè)有應(yīng)力錐。上述的高壓屏蔽層采用三元乙丙半導(dǎo)電膠料。上述的高壓屏蔽層的端部采用半圓形結(jié)構(gòu)。上述的增強(qiáng)絕緣采用三元乙丙橡膠材料。上述的應(yīng)力錐采用全弧型結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的形狀符合三次貝塞爾曲線。
上述的外半導(dǎo)電屏蔽層采用三元乙丙半導(dǎo)電膠料。本發(fā)明高壓直流交聯(lián)聚乙烯電纜預(yù)制型接頭和現(xiàn)有技術(shù)相比，其優(yōu)點(diǎn)在于，本發(fā)明只設(shè)有三層結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，體積小，耗材少，便于制造，節(jié)省成本；
本發(fā)明高壓屏蔽層采用三元乙丙半導(dǎo)電膠料、增強(qiáng)絕緣采用三元乙丙橡膠材、外半導(dǎo)電屏蔽層采用三元乙丙半導(dǎo)電膠料，使各絕緣層之間的電場分布最優(yōu)化。


圖1為本發(fā)明一種高壓直流交聯(lián)聚乙烯電纜預(yù)制型接頭的結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明一種高壓直流交聯(lián)聚乙烯電纜預(yù)制型接頭的增強(qiáng)絕緣的電導(dǎo)率分布圖； 圖3為本發(fā)明一種高壓直流交聯(lián)聚乙烯電纜預(yù)制型接頭的應(yīng)力錐的貝賽爾曲線圖； 圖4為本發(fā)明一種高壓直流交聯(lián)聚乙烯電纜預(yù)制型接頭的應(yīng)力錐的界面空間電荷分布圖5為本發(fā)明一種高壓直流交聯(lián)聚乙烯電纜預(yù)制型接頭與直流電纜主絕緣交界面軸向切向電場強(qiáng)度分布圖6為本發(fā)明一種高壓直流交聯(lián)聚乙烯電纜預(yù)制型接頭的應(yīng)力錐曲線上軸向電場強(qiáng)度分布圖7為本發(fā)明一種高壓直流交聯(lián)聚乙烯電纜預(yù)制型接頭的應(yīng)力錐曲線上電場強(qiáng)度模值分布圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖，說明本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。本發(fā)明公開了一種高壓直流交聯(lián)聚乙烯電纜預(yù)制型接頭，該接頭套設(shè)在電壓等級為士30kV，電纜線芯截面積為300mm2，主絕緣厚度為4mm的直流電纜3外，用于在直流電纜 3和其他電力設(shè)備之間建立連接。如圖1所示，一種高壓直流交聯(lián)聚乙烯電纜預(yù)制型接頭包含套設(shè)在直流電纜3外的高壓屏蔽層1，套設(shè)在高壓屏蔽層1外的增強(qiáng)絕緣2，以及套設(shè)在增強(qiáng)絕緣2外的外半導(dǎo)電屏蔽層5。本發(fā)明的高壓直流交聯(lián)聚乙烯電纜預(yù)制型接頭，其沿直流電纜3的方向?yàn)槠漭S向方向，增強(qiáng)絕緣2在其軸向方向的兩端上，各設(shè)有一個應(yīng)力錐4。高壓屏蔽層1采用三元乙丙半導(dǎo)電膠料，其電導(dǎo)率為2X10_3S/m。該高壓屏蔽層1軸向方向上兩個的端部都采用半圓形結(jié)構(gòu)，高壓屏蔽層ι的厚度為5mm，長度按照GB 14315-93，保證高壓屏蔽層1與直流電纜3的主絕緣搭接長度大于10mm，在本發(fā)明中高壓屏蔽層1與直流電纜3主絕緣的搭接長度確定為160mm。式中，ε ρ f ρ分別為交聯(lián)聚乙烯和三元乙丙橡膠材料的介電常數(shù)；U為電纜系統(tǒng)的電壓等級Uy2分別為直流電纜3主絕緣內(nèi)半徑、雙層絕緣交界面處半徑和接頭的增強(qiáng)絕緣2外半徑；P (r)為絕緣層中不同位置點(diǎn)處的空間電荷屯為應(yīng)力錐4與直流電纜3主絕緣交界面上的允許的切向電場強(qiáng)度值，取值為0. 6kV/mm。 如圖4所示，為界面空間電荷分布圖，應(yīng)力錐4長度根據(jù)圖4，代入式(4)，可計算 增強(qiáng)絕緣2米用三元乙丙橡膠材料，其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度約在_43°C。在不同溫度、 不同電場強(qiáng)度下，增強(qiáng)絕緣2的電導(dǎo)率如圖2所示，圖2中橫坐標(biāo)為電場強(qiáng)度、縱坐標(biāo)為電流密度，該圖中顯示了增強(qiáng)絕緣2分別在30°C、5(TC和80°C的環(huán)境的電導(dǎo)率，可看出增強(qiáng)絕緣2的電導(dǎo)率隨溫度升高而增大。其厚度根據(jù)具體電壓等級而定，正常運(yùn)行時的平均電場強(qiáng)度設(shè)計值為3kV/mm，由電壓等級和平均電場強(qiáng)度可確定增強(qiáng)絕緣的厚度，其關(guān)系式如下
上述的式(1)中，30kV為電壓等級，3kV/mm為平均電場強(qiáng)度。由上述的式(1)可得出， 增強(qiáng)絕緣2的厚度須滿足最小10mm，為保守起見，其厚度放大選取為12mm。
高壓屏蔽層1軸向方向上的兩端，分別到增強(qiáng)絕緣2兩端的應(yīng)力錐4的根部的距離，定為本發(fā)明接頭的內(nèi)爬距6。在保證足夠過盈量的前提下，內(nèi)爬距6處正常運(yùn)行時切向電場強(qiáng)度設(shè)定值為0. 6kV/mm，由電壓等級和切向電場強(qiáng)度可確定內(nèi)爬距6的大小，其關(guān)系式如下
上述的式(2)中，30kV為電壓等級，0. 6kV/mm為切向電場強(qiáng)度，由上述的式(2)可得出， 內(nèi)爬距6須滿足最小50mm，一般保守起見，設(shè)計內(nèi)爬距6的安全裕度為100%，這本發(fā)明中， 內(nèi)爬距6可確定為100mm。 應(yīng)力錐4為外半導(dǎo)電屏蔽層5與增強(qiáng)絕緣2的交界面，其采用全弧型結(jié)構(gòu)，同時該結(jié)構(gòu)的形狀符合三次貝塞爾曲線。如圖3所示。在平面或三維空間中，可由四點(diǎn)確定貝賽爾曲線。曲線起始于P0，走向P1，并從P2的方向來到P3，一般不會經(jīng)過Pl或P2 (這兩點(diǎn)只提供方向資訊)；PO和Pl之間的間距決定了曲線在轉(zhuǎn)而趨近P3之前，走向P2方向的長度有多長。在電纜接頭的模型中，PO對應(yīng)于應(yīng)力錐4根部位置，Pl在弧線上，P2對應(yīng)于應(yīng)力錐4頭部，P3與PO重合，只要調(diào)整Pl點(diǎn)的位置即可知道所確定的弧形曲線的坐標(biāo)分布。 將三次貝塞爾曲線表示為參數(shù)形式如式(3)所示
式中，召作)為曲線形狀， 為參數(shù)。
本發(fā)明中的應(yīng)力錐4的長度Lk如關(guān)系式(4)得到本發(fā)明的應(yīng)力錐4長度取為68mm。本發(fā)明中，外半導(dǎo)電屏蔽層5采用三元乙丙半導(dǎo)電膠料，其電導(dǎo)率為2 X 10_3S/m， 厚度為3mm。本發(fā)明中的高壓屏蔽層1、增強(qiáng)絕緣2、外半導(dǎo)電屏蔽層5根據(jù)設(shè)計完善的模具在工廠一次注塑成型，從而形成內(nèi)爬距6與應(yīng)力錐4。整體注塑成型后，高壓直流交聯(lián)聚乙烯電纜預(yù)制型接頭與直流電纜3主絕緣交界面軸向切向電場強(qiáng)度分布圖如圖5所示，應(yīng)力錐4曲線上軸向電場強(qiáng)度分布圖如圖6所示， 應(yīng)力錐4曲線上電場強(qiáng)度模值分布圖如圖7所示。電場分布情況達(dá)到最優(yōu)的電場分布依據(jù)為1)高壓屏蔽層端部附近接頭與直流電纜3主絕緣交界面軸向切向電場強(qiáng)度值不超過1. 5kV/mm，2)應(yīng)力錐4與直流電纜3主絕緣交界面切向電場強(qiáng)度不超過0. 6kV/mm，且比較均勻，3)應(yīng)力錐4曲線上軸向電場強(qiáng)度值不超過0. 6kV/mm，且比較均勻，4)應(yīng)力錐4曲線根部的電場強(qiáng)度模值最大，從根部到端部呈遞減趨勢，且應(yīng)力錐4根部的電場強(qiáng)度模值不超過3kV/mm。滿足以上條件，說明本發(fā)明高壓屏蔽層端部附近接頭的電場分布情況達(dá)到最優(yōu)的特點(diǎn)。盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過上述優(yōu)選實(shí)施例作了詳細(xì)介紹，但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到上述的描述不應(yīng)被認(rèn)為是對本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來限定。
權(quán)利要求
1.一種高壓直流交聯(lián)聚乙烯電纜預(yù)制型接頭，該接頭套設(shè)在直流電纜(3)外，其特征在于，該接頭包含套設(shè)在所述的直流電纜(3)外的高壓屏蔽層(1 )，套設(shè)在所述的高壓屏蔽層(1)外的增強(qiáng)絕緣(2)，以及套設(shè)在所述的增強(qiáng)絕緣(2)外的外半導(dǎo)電屏蔽層(5)；所述的增強(qiáng)絕緣(2)的軸向方向的兩端都設(shè)有應(yīng)力錐(4)。
2.如權(quán)利要求1所述的高壓直流交聯(lián)聚乙烯電纜預(yù)制型接頭，其特征在于，所述的高壓屏蔽層(1)采用三元乙丙半導(dǎo)電膠料。
3.如權(quán)利要求1所述的高壓直流交聯(lián)聚乙烯電纜預(yù)制型接頭，其特征在于，所述的高壓屏蔽層(1)的端部采用半圓形結(jié)構(gòu)。
4.如權(quán)利要求1所述的高壓直流交聯(lián)聚乙烯電纜預(yù)制型接頭，其特征在于，所述的增強(qiáng)絕緣(2)采用三元乙丙橡膠材料。
5.如權(quán)利要求1所述的高壓直流交聯(lián)聚乙烯電纜預(yù)制型接頭，其特征在于，所述的應(yīng)力錐(4)采用全弧型結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的形狀符合三次貝塞爾曲線。
6.如權(quán)利要求1所述的高壓直流交聯(lián)聚乙烯電纜預(yù)制型接頭，其特征在于，所述的外半導(dǎo)電屏蔽層(5)采用三元乙丙半導(dǎo)電膠料。
全文摘要
本發(fā)明提供一種高壓屏蔽層端部附近接頭，該接頭套設(shè)在直流電纜外，其包含套設(shè)在直流電纜外的高壓屏蔽層，套設(shè)在該高壓屏蔽層外的增強(qiáng)絕緣，以及套設(shè)在該增強(qiáng)絕緣外的外半導(dǎo)電屏蔽層；增強(qiáng)絕緣的軸向方向的兩端都設(shè)有應(yīng)力錐。本發(fā)明只設(shè)有三層結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，體積小，耗材少，便于制造，節(jié)省成本；高壓屏蔽層采用三元乙丙半導(dǎo)電膠料、增強(qiáng)絕緣采用三元乙丙橡膠材、外半導(dǎo)電屏蔽層采用三元乙丙半導(dǎo)電膠料，使接頭絕緣層的電場分布最優(yōu)化。
文檔編號H02G15/068GK102437544SQ20101059386
公開日2012年5月2日 申請日期2010年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月17日
發(fā)明者何維國, 周雁, 尹毅, 張宇, 彭嘉康, 楊玉智, 柳松, 江平開, 陳守直 申請人:上海市電力公司